你遇到過TIME_WAIT的問題嗎？
我相信很多都遇到過這個問題。一旦有用戶在喊：網絡變慢了。第一件事情就是，netstat -a | grep TIME_WAIT | wc -l 一下。哎呀媽呀，幾千個TIME_WAIT.
然后，做的第一件事情就是：打開Google或者Bing，輸入關鍵詞：too many time wait。一定能找到解決方案，而排在最前面或者被很多人到處轉載的解決方案一定是：
打開 sysctl.conf 文件，修改以下幾個參數：
-
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
-
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
-
net.ipv4.tcp_timestamps = 1
你也會被告知，開啟tw_recylce和tw_reuse一定需要timestamps的支持，而且這些配置一般不建議開啟，但是對解決TIME_WAIT很多的問題，有很好的用處。
接下來，你就直接修改了這幾個參數，reload一下，發現，咦，沒幾分鍾，TIME_WAIT的數量真的降低了，也沒發現哪個用戶說有問題，然后就沒有然后了。
做到這一步，相信50%或者更高比例的開發就已經止步了。問題好像解決了，但是，要徹底理解並解決這個問題，可能就沒這么簡單，或者說，還有很長的路要走！
什么是TIME-WAIT和CLOSE-WAIT?
所謂，要解決問題，就要先理解問題。隨便改兩行代碼，發現bug”沒有了“，也不是bug真的沒有了，只是隱藏在更深的地方，你沒有發現，或者以你的知識水平，你無法發現而已。
大家知道，由於socket是全雙工的工作模式，一個socket的關閉，是需要四次握手來完成的。
-
主動關閉連接的一方，調用close()；協議層發送FIN包
-
被動關閉的一方收到FIN包后，協議層回復ACK；然后被動關閉的一方，進入CLOSE_WAIT狀態，主動關閉的一方等待對方關閉，則進入FIN_WAIT_2狀態；此時，主動關閉的一方
等待
被動關閉一方的應用程序，調用close操作
-
被動關閉的一方在完成所有數據發送后，調用close()操作；此時，協議層發送FIN包給主動關閉的一方，等待對方的ACK，被動關閉的一方進入LAST_ACK狀態；
-
主動關閉的一方收到FIN包，協議層回復ACK；此時，主動關閉連接的一方，進入TIME_WAIT狀態；而被動關閉的一方，進入CLOSED狀態
-
等待2MSL時間，主動關閉的一方，結束TIME_WAIT，進入CLOSED狀態
通過上面的一次socket關閉操作，你可以得出以下幾點：
-
主動關閉連接的一方 – 也就是主動調用socket的close操作的一方，最終會進入TIME_WAIT狀態
-
被動關閉連接的一方，有一個中間狀態，即CLOSE_WAIT，因為協議層在等待上層的應用程序，主動調用close操作后才主動關閉這條連接
-
TIME_WAIT會默認等待2MSL時間后，才最終進入CLOSED狀態；
-
在一個連接沒有進入CLOSED狀態之前，這個連接是不能被重用的！
所以，這里憑你的直覺，TIME_WAIT並不可怕（not really，后面講），CLOSE_WAIT才可怕，因為CLOSE_WAIT很多，表示說要么是你的應用程序寫的有問題，沒有合適的關閉socket；要么是說，你的服務器CPU處理不過來（CPU太忙）或者你的應用程序一直睡眠到其它地方(鎖，或者文件I/O等等)，你的應用程序獲得不到合適的調度時間，造成你的程序沒法真正的執行close操作。
這里又出現兩個問題：
-
上文提到的連接重用，那連接到底是個什么概念？
-
協議層為什么要設計一個TIME_WAIT狀態？這個狀態為什么默認等待2MSL時間才會進入CLOSED
先解釋清楚這兩個問題，我們再來看，開頭提到的幾個網絡配置究竟有什么用，以及TIME_WAIT的后遺症問題。
Socket連接到底是個什么概念？
大家經常提socket，那么，到底什么是一個socket？其實，socket就是一個
五元組，包括：
-
源IP
-
源端口
-
目的IP
-
目的端口
-
類型：TCP or UDP
這個五元組，即標識了一條可用的連接。注意，有很多人把一個socket定義成四元組，也就是
源IP:源端口 + 目的IP:目的端口，這個定義是不正確的。
例如，如果你的本地出口IP是180.172.35.150，那么你的瀏覽器在連接某一個Web服務器，例如百度的時候，這條socket連接的四元組可能就是：
[180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80]
源IP為你的出口IP地址 180.172.35.150，源端口為隨機端口 45678，目的IP為百度的某一個負載均衡服務器IP 180.97.33.108，端口為HTTP標准的80端口。
如果這個時候，你再開一個瀏覽器，訪問百度，將會產生一條新的連接：
[180.172.35.150:43678, tcp, 180.97.33.108:80]
這條新的連接的源端口為一個新的隨機端口 43678。
如此來看，如果你的本機需要壓測百度，那么，你最多可以創建多少個連接呢？我在文章《雲思路 | 輕松構建千萬級投票系統》里也稍微提過這個問題，沒有閱讀過本文的，可以發送“投票系統“閱讀。
第二個問題，TIME_WAIT有什么用？
如果我們來做個類比的話，TIME_WAIT的出現，對應的是你的程序里的異常處理，它的出現，就是為了解決網絡的丟包和網絡不穩定所帶來的其他問題：
第一，防止前一個連接【五元組，我們繼續以 180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 為例】上延遲的數據包或者丟失重傳的數據包，被后面復用的連接【前一個連接關閉后，此時你再次訪問百度，新的連接可能還是由180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 這個五元組來表示，也就是源端口湊巧還是45678】錯誤的接收（異常：數據丟了，或者傳輸太慢了），參見下圖：
-
SEQ=3的數據包丟失，重傳第一次，沒有得到ACK確認
-
如果沒有TIME_WAIT，或者TIME_WAIT時間非常端，那么關閉的連接【180.172.35.150:45678, tcp, 180.97.33.108:80 的狀態變為了CLOSED，源端口可被再次利用】，馬上被重用【對180.97.33.108:80新建的連接，復用了之前的隨機端口45678】，並連續發送SEQ=1,2 的數據包
-
此時，前面的連接上的SEQ=3的數據包再次重傳，同時，seq的序號剛好也是3（這個很重要，不然，SEQ的序號對不上，就會RST掉），此時，前面一個連接上的數據被后面的一個連接錯誤的接收
第二，確保連接方能在時間范圍內，關閉自己的連接。其實，也是因為丟包造成的，參見下圖：
-
主動關閉方關閉了連接，發送了FIN；
-
被動關閉方回復ACK同時也執行關閉動作，發送FIN包；此時，被動關閉的一方進入LAST_ACK狀態
-
主動關閉的一方回去了ACK，主動關閉一方進入TIME_WAIT狀態；
-
但是最后的ACK丟失，被動關閉的一方還繼續停留在LAST_ACK狀態
-
此時，如果沒有TIME_WAIT的存在，或者說，停留在TIME_WAIT上的時間很短，則主動關閉的一方很快就進入了CLOSED狀態，也即是說，如果此時新建一個連接，源隨機端口如果被復用，在connect發送SYN包后，由於被動方仍認為這條連接【五元組】還在等待ACK，但是卻收到了SYN，則被動方會回復RST
-
造成主動創建連接的一方，由於收到了RST，則連接無法成功
所以，你看到了，TIME_WAIT的存在是很重要的，如果強制忽略TIME_WAIT，還是有很高的機率，造成數據粗亂，或者短暫性的連接失敗。
那么，為什么說，TIME_WAIT狀態會是持續2MSL（2倍的max segment lifetime）呢？這個時間可以通過修改內核參數調整嗎？第一，這個2MSL，是RFC 793里定義的，參見RFC的截圖標紅的部分：
這個定義，更多的是一種保障（IP數據包里的TTL，即數據最多存活的跳數，真正反應的才是數據在網絡上的存活時間），確保最后丟失了ACK，被動關閉的一方再次重發FIN並等待回復的ACK，一來一去兩個來回。內核里，寫死了這個MSL的時間為：30秒（有讀者提醒，RFC里建議的MSL其實是2分鍾，但是很多實現都是30秒），所以TIME_WAIT的即為1分鍾：
所以，再次回想一下前面的問題，如果一條連接，即使在四次握手關閉了，由於TIME_WAIT的存在，這個連接，在1分鍾之內，也無法再次被復用，那么，如果你用一台機器做壓測的客戶端，你一分鍾能發送多少並發連接請求？如果這台是一個負載均衡服務器，一台負載均衡服務器，一分鍾可以有多少個連接同時訪問后端的服務器呢？
TIME_WAIT很多，可怕嗎？
如果你通過 ss -tan state time-wait | wc -l 發現，系統中有很多TIME_WAIT，很多人都會緊張。多少算多呢？幾百幾千？如果是這個量級，其實真的沒必要緊張。第一，這個量級，因為TIME_WAIT所占用的內存很少很少；因為記錄和尋找可用的local port所消耗的CPU也基本可以忽略。
會占用內存嗎？當然！任何你可以看到的數據，內核里都需要有相關的數據結構來保存這個數據啊。一條Socket處於TIME_WAIT狀態，它也是一條“存在“的socket，內核里也需要有保持它的數據：
-
內核里有保存所有連接的一個hash table，這個hash table里面既包含TIME_WAIT狀態的連接，也包含其他狀態的連接。主要用於有新的數據到來的時候，從這個hash table里快速找到這條連接。不同的內核對這個hash table的大小設置不同，你可以通過dmesg命令去找到你的內核設置的大小：
-
還有一個hash table用來保存所有的bound ports，主要用於可以快速的找到一個可用的端口或者隨機端口：
由於內核需要保存這些數據，必然，會占用一定的內存。
會消耗CPU嗎？當然！每次找到一個隨機端口，還是需要遍歷一遍bound ports的吧，這必然需要一些CPU時間。
TIME_WAIT很多，既占內存又消耗CPU，這也是為什么很多人，看到TIME_WAIT很多，就蠢蠢欲動的想去干掉他們。其實，如果你再進一步去研究，1萬條TIME_WAIT的連接，也就多消耗1M左右的內存，對現代的很多服務器，已經不算什么了。至於CPU，能減少它當然更好，但是不至於因為1萬多個hash item就擔憂。
如果，你真的想去調優，還是需要搞清楚別人的調優建議，以及調優參數背后的意義！
TIME_WAIT調優，你必須理解的幾個調優參數
在具體的圖例之前，我們還是先解析一下相關的幾個參數存在的意義。
net.ipv4.tcp_timestamps
RFC 1323 在 TCP Reliability一節里，引入了timestamp的TCP option，兩個4字節的時間戳字段，其中第一個4字節字段用來保存發送該數據包的時間，第二個4字節字段用來保存最近一次接收對方發送到數據的時間。有了這兩個時間字段，也就有了后續優化的余地。
tcp_tw_reuse 和 tcp_tw_recycle就依賴這些時間字段。
net.ipv4.tcp_tw_reuse
字面意思，reuse TIME_WAIT狀態的連接。
時刻記住一條socket連接，就是那個五元組，出現TIME_WAIT狀態的連接，一定出現在主動關閉連接的一方。所以，當主動關閉連接的一方，再次向對方發起連接請求的時候（例如，客戶端關閉連接，客戶端再次連接服務端，此時可以復用了；負載均衡服務器，主動關閉后端的連接，當有新的HTTP請求，負載均衡服務器再次連接后端服務器，此時也可以復用），可以復用TIME_WAIT狀態的連接。
通過字面解釋，以及例子說明，你看到了，tcp_tw_reuse應用的場景：某一方，需要不斷的通過“短連接“連接其他服務器，總是自己先關閉連接(TIME_WAIT在自己這方)，關閉后又不斷的重新連接對方。
那 么，當連接被復用了之后，延遲或者重發的數據包到達，新的連接怎么判斷，到達的數據是屬於復用后的連接，還是復用前的連接呢？那就需要依賴前面提到的兩個 時間字段了。復用連接后，這條連接的時間被更新為當前的時間，當延遲的數據達到，延遲數據的時間是小於新連接的時間，所以，內核可以通過時間判斷出，延遲 的數據可以安全的丟棄掉了。
這個配置，依賴於連接雙方，同時對timestamps的支持。同時，這個配置，僅僅影響outbound連接，即做為客戶端的角色，連接服務端[connect(dest_ip, dest_port)]時復用TIME_WAIT的socket。
net.ipv4.tcp_tw_recycle
字面意思，銷毀掉 TIME_WAIT。
當開啟了這個配置后，內核會快速的回收處於TIME_WAIT狀態的socket連接。多快？不再是2MSL，而是一個RTO（retransmission timeout，數據包重傳的timeout時間）的時間，這個時間根據RTT動態計算出來，但是遠小於2MSL。
有了這個配置，還是需要保障
丟失重傳或者延遲的數據包，不會被新的連接(注意，這里不再是復用了，而是之前處於TIME_WAIT狀態的連接已經被destroy掉了，新的連接，剛好是和某一個被destroy掉的連接使用了相同的五元組而已)所錯誤的接收。在啟用該配置，當一個socket連接進入TIME_WAIT狀態后，內核里會記錄包括該socket連接對應的五元組中的對方IP等在內的一些統計數據，當然也包括從該對方IP所接收到的最近的一次數據包時間。當有新的數據包到達，只要時間晚於內核記錄的這個時間，數據包都會被統統的丟掉。
這個配置，依賴於連接雙方對timestamps的支持。同時，這個配置，主要影響到了inbound的連接（對outbound的連接也有影響，但是不是復用），即做為服務端角色，客戶端連進來，服務端主動關閉了連接，TIME_WAIT狀態的socket處於服務端，服務端快速的回收該狀態的連接。
由此，如果客戶端處於NAT的網絡(多個客戶端，同一個IP出口的網絡環境)，如果配置了tw_recycle，就可能在一個RTO的時間內，只能有一個客戶端和自己連接成功(不同的客戶端發包的時間不一致，造成服務端直接把數據包丟棄掉)。
我盡量嘗試用文字解釋清楚，但是，來點案例和圖示，應該有助於我們徹底理解。
我們來看這樣一個網絡情況：
-
客戶端IP地址為：180.172.35.150，我們可以認為是瀏覽器
-
負載均衡有兩個IP，外網IP地址為 115.29.253.156，內網地址為10.162.74.10；外網地址監聽80端口
-
負載均衡背后有兩台Web服務器，一台IP地址為 10.162.74.43，監聽80端口；另一台為 10.162.74.44，監聽 80 端口
-
Web服務器會連接數據服務器，IP地址為 10.162.74.45，監聽 3306 端口
這種簡單的架構下，我們來看看，在不同的情況下，我們今天談論的tw_reuse/tw_recycle對網絡連接的影響。
先做個假定：
-
客戶端通過HTTP/1.1連接負載均衡，也就是說，HTTP協議投Connection為keep-alive，所以我們假定，客戶端
對
負載均衡服務器
的socket連接，客戶端會斷開連接，所以，TIME_WAIT出現在客戶端
-
Web服務器和MySQL服務器的連接，我們假定，Web服務器上的程序在連接結束的時候，調用close操作關閉socket資源連接，所以，TIME_WAIT出現在 Web 服務器端。
那么，在這種假定下：
-
Web服務器上，肯定可以配置開啟的配置：tcp_tw_reuse；如果Web服務器有很多連向DB服務器的連接，可以保證socket連接的復用。
-
那么，負載均衡服務器和Web服務器，誰先關閉連接，則決定了我們怎么配置tcp_tw_reuse/tcp_tw_recycle了
方案一：負載均衡服務器
首先關閉連接
在這種情況下，因為負載均衡服務器對Web服務器的連接，TIME_WAIT大都出現在負載均衡服務器上，所以，在負載均衡服務器上的配置：
-
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 //盡量復用連接
-
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 0 //不能保證客戶端不在NAT的網絡啊
在Web服務器上的配置為：
-
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 //這個配置主要影響的是Web服務器到DB服務器的連接復用
-
net.ipv4.tcp_tw_recycle：
設置成1和0都沒有任何意義。想一想，在負載均衡和它的連接中，它是服務端，但是TIME_WAIT出現在負載均衡服務器上；它和DB的連接，它是客戶端，recycle對它並沒有什么影響，關鍵是reuse
方案二：Web服務器首先關閉來自負載均衡服務器的連接
在這種情況下，Web服務器變成TIME_WAIT的重災區。負載均衡對Web服務器的連接，由Web服務器首先關閉連接，TIME_WAIT出現在Web服務器上；Web服務器對DB服務器的連接，由Web服務器關閉連接，TIME_WAIT也出現在它身上，此時，負載均衡服務器上的配置：
-
net.ipv4.tcp_tw_reuse：0 或者 1 都行，都沒有實際意義
-
net.ipv4.tcp_tw_recycle=0 //一定是關閉recycle
在Web服務器上的配置：
-
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 //這個配置主要影響的是Web服務器到DB服務器的連接復用
-
net.ipv4.tcp_tw_recycle=1 //由於在負載均衡和Web服務器之間並沒有NAT的網絡，可以考慮開啟recycle，加速由於負載均衡和Web服務器之間的連接造成的大量TIME_WAIT
回答幾個大家提到的幾個問題
1. 請問我們所說連接池可以復用連接，是不是意味着，需要等到上個連接time wait結束后才能再次使用?
所謂連接池復用，復用的一定是活躍的連接，所謂活躍，第一表明連接池里的連接都是ESTABLISHED的，第二，連接池做為上層應用，會有定時的心跳去保持連接的活躍性。既然連接都是活躍的，那就不存在有TIME_WAIT的概念了，在上篇里也有提到，TIME_WAIT是在主動關閉連接的一方，在關閉連接后才進入的狀態。既然已經關閉了，那么這條連接肯定已經不在連接池里面了，即被連接池釋放了。
2. 想請問下，作為負載均衡的機器隨機端口使用完的情況下大量time_wait，不調整你文字里說的那三個參數，有其他的更好的方案嗎？
第一，隨機端口使用完，你可以通過調整/etc/sysctl.conf下的net.ipv4.ip_local_port_range配置，至少修改成 net.ipv4.ip_local_port_range=1024 65535，保證你的負載均衡服務器至少可以使用6萬個隨機端口，也即可以有6萬的反向代理到后端的連接，可以支持每秒1000的並發（想一想，因為TIME_WAIT狀態會持續1分鍾后消失，所以一分鍾最多有6萬，每秒1000）；如果這么多端口都使用完了，也證明你應該加服務器了，或者，你的負載均衡服務器需要配置多個IP地址，或者，你的后端服務器需要監聽更多的端口和配置更多的IP（想一下socket的五元組）
第二，大量的TIME_WAIT，多大量？如果是幾千個，其實不用擔心，因為這個內存和CPU的消耗有一些，但是是可以忽略的。
第三，如果真的量很大，上萬上萬的那種，可以考慮，讓后端的服務器主動關閉連接，如果后端服務器沒有外網的連接只有負載均衡服務器的連接（主要是沒有NAT網絡的連接），可以在后端服務器上配置tw_recycle，然后同時，在負載均衡服務器上，配置tw_reuse。
3. 如果想深入的學習一下網絡方面的知識，有什么推薦的？
學習網絡比學一門編程語言“難“很多。所謂難，其實，是因為需要花很多的時間投入。我自己不算精通，只能說入門和理解。基本書可以推薦：《TCP/IP 協議詳解》，必讀；《TCP/IP高效編程：改善網絡程序的44個技巧》，必讀；《Unix環境高級編程》，必讀；《Unix網絡編程：卷一》，我只讀過卷一；另外，還需要熟悉一下網絡工具，tcpdump以及wireshark，我的notes里有一個一站式學習Wireshark：https://github.com/dafang/notebook/issues/114，也值得一讀。有了這些積累，可能就是一些實踐以及碎片化的學習和積累了。
寫在最后
這篇文章我斷斷續續寫了兩天，內容找了多個地方去驗證，包括看到Vincent Bernat的一篇文章以及Vincent在多個地方和別人的討論。期間，我也花了一些時間和Vincent探討了幾個我沒在tcp源碼里翻找到的有疑問的地方。
我力求比散布在網上的文章做到准確並盡量整理的清晰一些。但是，也難免會
有疏漏或者有錯誤的地方，高手看到可以隨時指正，並和我討論，大家一起研究！
感謝您閱讀。